9 Критерии подобия турбомашин

Геометрическое подобие – главное требование к модели. Однако в ряде случаев возникают непреодолимые препятствия для соблюдения полного геометрического подобия, Например, при сильном уменьшении выходные кромки лопаток могут оказаться чрезмерно тонкими и технологически невыполнимыми. Слишком малые зазоры между статором и ротором – также могут быть практически недопустимыми. Всегда в некоторой мере получается различная шероховатость обтекаемых поверхностей в натуре и модели. Нарушения геометрического подобия допустимы только в тех случаях, когда есть уверенность, что то или иное отклонение от натуры не отражается существенно на исследуемых характеристиках турбомашин и физических явлениях или когда возможно внесение надежных поправок. Так решаются вопросы о зазорах между статором и ротором, о шероховатости поверхностей, о ширине лопаток и др. Но в ряде случаев несоблюдение геометрического подобия может повлечь коренное нарушение общей картины течения, напри- мер при замене плоских торцовых стенок у внешних границ направляющих каналов на цилиндрические, при сильном нарушении геометрического подобия входных и выходных патрубков, при изменении формы меридионального сечения проточной части и т. п.. Кинематическое подобие – второе важное условие моделирования. Это условие также редко полностью выдерживается. При построении моделей турбомашин обычно главное внимание направлено на подобие треугольников осредненных скоростей, что связано с соблюдением важнейших характеристических коэффициентов, но часто нет возможности выдержать кинематическое подобие потоков при входе в ступень и выходе из нее с учетом вторичных течений. Нарушение кинематического подобия чаще всего связано с отклонениями от геометрического моделирования и от критериев динамического подобия. Критерии динамического подобия при построении модели, как правило, приходится существенно нарушать. Важнейшая задача теории турбомашин – оценка влияния неточностей моделирования на характеристики исследуемых элементов проточной части. Область, в которой влияние того или иного критерия пренебрежимо мало – область приближенной автомодельности по этому критерию. Выполнение модели и условий эксперимента таким образом, чтобы опыты протекали в области автомодельности, приводит к наиболее надежным результатам. Рассмотрим влияние отклонений основных критериев динамического подобия на рабочий процесс в турбомашинах. Число ^ М должно рассматриваться совместно с отношением теплоемкостей k. Но если рабочее тело имеет одинаковые физические свойства как в натуре, так и в модели, то вопрос стоит о моделировании только по числу М. Когда речь идет о потоках при числах М = 0,2…0,3, то погрешности при отступлении от натурного числа ^ М не играют роли. При больших же числах М даже малое его изменение по сравнению с натурным может привести к существенным изменениям кинематики потока. Число Струхаля играет важную роль в нестационарных процессах. Явления нестационарности наблюдаются в любой ступени турбомашины, работающей в условиях обтекания профилей лопаток неравномерным потоком. С этой точки зрения неправомерно распространение результатов испытаний неподвижных решеток на ступени турбомашины. В турбостроении долгое время принималось за истину, что решетки профилей, показавшие хороший результат при стационарных испытаниях, должны быть оптимальными и в условиях действующей ступени. Не отрицая, разумеется, всю важность отработки решеток профилей в стационарных условиях, все же следует заметить, что при вращении решеток протекающий в них процесс существенно меняется. Поэтому несоблюдение критерия Струхаля нередко приводило к достаточно сильным эффектам, вносившим корректировку в статические испытания.

Число Рейнольдса существенно меняется вместе с изменением размера модели. Например, модели колес крупных гидротурбин имеют диаметр в 20…30 раз меньше натурного, и число Re_м может быть в десятки раз меньше Re_н. Большие отступления от критерия Рейнольдса приходится допускать также при моделировании процессов в паровых и газовых турбинах, особенно при резко отличающейся плотности рабочего тела в модели и в натуре.

10. Уравнения подобия турбомашин. Пересчет характеристик.

При конструировании и эксплуатации центробежных насосов пользуются законами их подобия и в первую очередь законом подобия рабочих колес этих насосов. Различают геометрическое к кинематическое подобие рабочих колес. Геометрическое подобие рабочих колес означает пропорциональность всех соответственных размеров их проточной части (диаметра, ширины лопаток, радиусов кривизны лопаток и т. п.). Кинематическое подобие предполагает одинаковые направления векторов скорости в сходственных точках потоков. Если геометрически подобные рабочие колеса диаметром D и D₁ вращаются соответственно с частотой п и n1 то при этом развиваются напоры Н и H₁ Пользуясь формулой (2.56) и принимая во внимание, что скорости u2 и v2 пропорциональны диаметру рабочего колеса D, можно найти  

что справедливо в случае η_г=const.

 

 

Подача насоса пропорциональна площади выходного сечения рабочего колеса и радиальной составляющей скорости на выходе. Если рабочие колеса подобны, то площадь выходного сечения пропорциональна D², а скорость на выходе — D. С учетом соотношения (2.58) можно написать, что при постоянном объемном КПД

Пользуясь зависимостью (2.61) и помня, что мощность, потребляемая насосом, пропорциональна произведению Q на Н, находим

Соотношения (2.62) — (2.64) отражают законы подобия центробежных насосов. Эти соотношения можно применять, если геометрические размеры сравниваемых насосов не отличаются более чем в 2—3 раза и если сравниваемые насосы перекачивают одинаковую жидкость. Обобщенным критерием оценки различных рабочих колес центробежных и осевых насосов принято считать так называемый коэффициент быстроходности насоса n_s. Коэффициентом быстроходности принято называть частоту вращения рабочего колеса, мин^-1, которое геометрически подобно рассматриваемому колесу насоса и при подаче жидкости Q = 75 л/с обеспечивает напор H=1 м. Значение коэффициента быстроходности ns находят из зависимостей (2.62) и (2.63), подставив в них Н=1 м и Q=0,075 м³/с Тогда  

где Q_опт — подача в оптимальной точке характеристики насоса, м³/с; H_опт — напор в оптимальной точке характеристики насоса, м; п — частота вращения, мин^-1.

коэффициент конструкции насоса

Между коэффициентом быстроходности и коэффициентом конст рукции насоса существует следующая зависимость: & = 0,00515п. Законы подобия центробежных насосов находят практическо< применение при необходимости изменения подачи насоса и развиваемого им напора путем уменьшения диаметра (обточкой или подрезкой) рабочего колеса. Из соотношений (2.62) и (2.63) при b_i = b получены зависимости:   где Hоб и Qo6 — соответственно напор и подача насоса при обточенном рабочем колесе; Dоб — диаметр рабочего колеса после обточки.

11. удельная частота вращения и коэффициент быстроходности

12. Типовые (безразмерные) характеристики турбомашин

13. Универсальные характеристики турбомашин. Область промышленного использования турбомашин

В выработках, в которых находятся или могут находиться люди, согласно требованиям Правил безопасности ПБ  воздух должен содержать по объему кислорода не менее 20 % и углекислого газа не более 0,5 %, а содержание метана в струе воздуха, исходящего из очистного участка, не должно превышать 1 %.

Для снабжения работающих в шахте или руднике людей достаточным количеством качественного воздуха и создания комфортных условий для высокопроизводительного труда необходима искусственная вентиляция, обеспечивающая постоянный приток свежего воздуха в горные выработки с поверхности и удаление отработанного воздуха из шахты (рудника) в атмосферу. Для этих целей на шахте (руднике) устанавливают вентиляторы.

Вентилятор принадлежит к механизмам, имеющим продолжительный режим работы с постоянной нагрузкой.

В качестве ВМП применяются осевые вентиляторы с двигателями мощностью до 110кВт.

В качестве ВГП применяются как осевые так и центробежные вентиляторы с двигателями мощностью 1250-4000 кВт.

В качестве привода вентиляторов главного проветривания применяется:

§ АДФ+Реостат

§ АДФ+АВК

§ СД до 500КВт

§ АДФ+СД(каскад обеспечивает половинную и полную производительность)

Сравнивая между собой шахтные осевые и центробежные вентиляторы, следует отметить, что те и другие обладают как достоинствами, так и рядом недостатков.

К достоинствам осевых вентиляторов следует отнести: регулирование режима работы (поворотом лопаток направляющего аппарата и рабочего колеса); реверсирование воздушной струи без обводных каналов (при соответствующей аэродинамической схеме и конструкции вентилятора).

Недостатками осевых вентиляторов являются:

скрытые, недоступные для систематического ухода подшипники, что снижает надежность работы вентиляторов; резко седлообразная форма характеристики давления (со впадинами и разрывами), что создает предпосылки для неустойчивой работы, особенно при параллельном включении вентиляторов с нерегулируемым приводом; сильный шум при работе со скоростями 90—95 м/с.

Центробежные вентиляторы лишены указанных недостатков, они проще по конструкции и надежнее в эксплуатации, создают более высокое давление, однако диапазон их экономичного регулирования (при прочих равных условиях) несколько меньше, чем у осевых.

Серийно выпускаемые шахтные осевые и центробежные вентиляторы примерно равноценны по экономичности, но величина ее невелика  —  максимальный статический к.  п.  д.   вентиляторов не превышает 0,8. Отдельные конструкции центробежных вентиляторов с сильно загнутыми назад лопатками позволили повысить  к. п. д. до 0,88.

14. Способы регулирования подачи центробежных и осевых турбомашин

В настоящее время регулирование режима работы шахтных вентиляторов главного проветривания осуществляется одним из следующих способов:

§ изменением сопротивления вентиляционной сети (дросселирование шибером, секторным затвором и т. д.);

§ и зменением характеристики вентилятора.

Регулирование режима работы вентилятора главного проветривания изменением характеристики вентиляционной сети представлено на рис. Режим работы вентилятора с минимальным сопротивлением вентиляционной сети характеризуется точкой 1. При этом вентилятор работает с подачей Q1 и давлением p1. При необходимости уменьшения подачи увеличивается сопротивление вентиляционной сети путем частичного перекрытия вентиляционного канала регулирующим шибером, что приводит к уменьшению эквивалентного отверстия, т. е. A2<A2. Режим работы вентилятора в этом случае характеризуется точкой 2.

Изменение характеристики вентилятора может производиться одним из нижеперечисленных способов:

§ изменением угла поворота лопаток направляющих аппаратов (для центробежных и осевых вентиляторов),

§ изменением угла установки лопаток рабочего колеса (для осевых вентиляторов),

§ изменением скорости электропривода рабочего колеса вентилятора.

Для поддержания режима работы пневматических установок в заданных пределах применяют различные способы регулирования режима работы компрессоров: изменением частоты вращения вала компрессора, а при постоянной частоте вращения — изменением числа параллельно работающих компрессоров.

При нерегулируемой частоте вращения вала компрессора регулирование ведется: дросселированием перед входом в компрессор, тогда расход воздуха уменьшается из-за понижения начального давления; включением дополнительного вредного пространства в поршневых компрессорах; отжатием пластан всасывающих клапанов в поршневых компрессорах.

В шахтных водоотливных установках используется принцип подключения необходимого числа насосных агрегатов с приводом АДк в зависимости от уровня воды в водосборнике(подключается один два и т.д.)

В качестве регулируемого привода вентиляторов главного проветривания применяется:

§ АДФ+Реостат

§ АДФ+АВК

§ АДФ+СД(каскад обеспечивает половинную и полную производительность)

Асинхронный вентильный каскад (АВК) характеризуется наличием статических преобразователей энергии, состоящих из трансформатора и инвертора. Трансформатор служит для согласования напряжения ротора с напряжением питающей сети. Инвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения ротора в переменное с частотой сети.

Принцип работы вентильного каскада аналогичен работе каскадных схем вообще. Регулирование величины противо -э д. с., а с ней и частоты вращения асинхронного двигателя ведется изменением угла регулирования β тиристоров инвертора.

При β = 90 эл. градусов асинхронный двигатель работает с максимальной частотой вращения и уменьшается с уменьшением угла β.

Запуск асинхронного двигателя в схеме АВК, как правило, резисторный. Это объясняется неглубоким регулированием частоты вращения вентилятора главного проветривания.

П ри резисторном пуске асинхронного двигателя в системе АВК его ротор отсоединяется от инвертора и подключается к пусковому резистору. Пуск автоматический в функции времени. При достижении номинальной частоты вращения ротор двигателя через выпрямитель подсоединяется к инвертору, у которого установлен угол регулирования тиристорами β = 90 эл. градусов, а затем ротор отсоединяется от пускового резистора. Переход асинхронного двигателя в схему АВК происходит без бросков тока, а его частота вращения несколько снижается. Дальнейшее регулирование скорости электропривода вентилятора ведется вниз от номинальной.

Габаритная мощность согласующего трансформатора определяется максимальными выпрямленными напряжением и током ротора асинхронного двигателя. Максимальный ток ротора берется равным номинальному, а напряжение пропорционально скольжению двигателя:

15. Определение рабочего режима турбомашины при работе на сеть.

16-17 Совместная последовательная и параллельная работа турбомашин при работе на общую сеть

18. Состав рудничного воздуха. Характеристики основных ядовитых и взрывчатых примесей рудничного воздуха.

Рудничным называется воздух, поступающий в подземные выработки с поверхности и претерпевающий изменения в процессе перемещения по ним. Эти изменения выражаются прежде всего в уменьшении содержания кислорода и увеличении содержания углекислого газа. К основным причинам уменьшения содержания кислорода в воздухе горных выработок относятся окисление горных пород, древесины, ведение взрывных работ, работа двигателей внутреннего сгорания. В рудничном воздухе могут оказаться такие газы, как азот, метан, окись углерода, сернистый газ, сероводород, оксиды азота, метан, водород, тяжелые углеводороды, радон, аммиак и другие вредные газы, а также пары воды и пыль. Одни ядовитые газы образуются при взрывных работах или в результате работы в подземных условиях двигателей внутреннего сгорания, другие выделяются из горных пород или полезных ископаемых и шахтных вод. Давление, температура, скорость движения и влажность рудничного воздуха также могут существенно отличаться от этих физических параметров атмосферного воздуха. Рудничный воздух, который по своему составу незначительно отличается от атмосферного и движется в направлении забоя проветриваемой выработки, называется свежим, а воздух, движущийся из забоя проветриваемой выработки и содержащий то или иное количество загрязняющих примесей, называется отработанным. На разведочных шахтах воздушная струя, движущаяся от воздухоподающего ствола к забоям выработок, называется поступающей, а от забоев к воздуховыдающей выработке - исходящей струей. Содержание газов в воздухе выражается объемной или массовой концентрацией.  Объемная концентрация Объемная концентрация - это выраженное в процентах отношение объема данного газа ко всему объему газовоздушнойсмеси. Массовая концентрация газа - это отношение его массы к объему газовоздушнойсмеси.  В атмосферном воздухе кислорода содержится (по объему) 20,95%. В соответствии с Правилами безопасности в СССР на подземных горных работах в рудничном воздухе его должно содержаться не менее 20%. Насыщение крови кислородом зависит от величины его парциального давления. В глубоких шахтах парциальное давление кислорода в рудничном воздухе выше его значения, соответствующего нормальному атмосферному давлению. Такие условия наиболее благоприятны для усвоения кислорода кровью людей. Наоборот, в высокогорных условиях парциальное давление кислорода уменьшается и усвоение его кровью ухудшается. При снижении содержания кислорода до 17% наступает сильная одышка и сердцебиение, при содержании его, равном 12%, появляется обморочное состояние, при 9% наступает смерть вследствие кислородного голодания.